基于CYTOP光纤中飞秒激光刻写光纤光栅的心脏信号监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Cardiac signal monitoring using femtosecond laser inscribed FBGs in CYTOP optical fiber

　　

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  用于无创心脏机械监测的柔性CYTOP FBG传感器。
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  飞秒激光直写技术在聚合物光纤中制备高质量FBG。
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  成功在胸部捕获呼吸、心率和SCG信号。
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  心率误差在±3 bpm以内，验证了可穿戴心脏监测的潜力。

引言

随着全球老龄化趋势加速和现代生活方式的转变，心血管疾病已成为全球首位死亡原因。近期预测表明，未来几十年内，相关疾病的发病率和死亡率将继续上升[1]。其中，瓣膜性心脏病、心律失常和心肌缺血等结构和功能异常日益普遍。减轻心血管疾病的健康负担，关键在于对心脏和呼吸功能进行早期检测和持续监测[2]、[3]。心率（HR）和呼吸频率（RR）作为反映心血管和呼吸系统状态的关键生理指标，对于疾病预测、健康管理和康复干预至关重要[4]、[5]。在此背景下，能够在进行持续、动态、无创监测的可穿戴心脏信号传感器近年来引起了广泛关注[6]，并取得了显著进展，特别是结合深度学习与活动识别技术后[7]。

为了实现HR和RR的可靠监测，关键在于精确捕获心脏和呼吸活动产生的细微机械振动。传统方法通常采用惯性传感器，如加速度计和陀螺仪[8]。然而，基于MEMS的传统传感器在可穿戴应用中面临显著挑战，包括刚性过高、重量增加、与皮肤贴合度差以及生物相容性有限等问题。为克服这些局限性，近期研究探索了多种柔性传感技术，包括导电纺织品和光纤传感器[9]、[10]、[11]。

在众多传感技术中，光纤布拉格光栅（FBG）传感器因其高灵敏度、体积小和抗电磁干扰能力而在生物医学领域得到了广泛研究[12]。研究人员已将FBG嵌入床垫、柔性聚合物结构和可穿戴平台，用于日常场景中对RR和HR的持续监测[13]、[14]、[15]。然而，传统石英基光纤存在应变灵敏度有限、机械脆性大以及在动态条件下信号不稳定等问题[16]、[17]、[18]。为克服这些局限性，聚合物光纤（POF）因其更高的柔韧性、更低的杨氏模量、更大的应变极限和更好的抗冲击性而成为一种有前途的替代方案[19]、[20]。这些特性使POF特别适合可穿戴健康监测应用[21]、[22]。在聚合物光纤材料中，全氟化光纤如环状透明光学聚合物（CYTOP）因其极低的光衰减、更高的柔韧性和优于传统甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基光纤的机械强度而引起了显著的研究关注[23]。除这些优势外，CYTOP光纤还表现出优异的环境稳定性和辐射耐受性，进一步扩展了其在先进传感应用中的潜力。近期研究表明，γ辐照可以增强刻写在少模CYTOP光纤中的FBG的传感特性[24]，并且类似光纤已被成功用于实时γ辐射监测[25]。此外，聚合物光纤传感器的温度和湿度灵敏度可通过预应变控制进行有效调节[26]。基于这些进展，本研究提出了一种基于刻写在CYTOP光纤中的FBG的心脏信号监测系统，旨在利用CYTOP光纤卓越的光-机械性能。FBG采用飞秒激光逐面（Pl-b-Pl）技术直接刻写入光纤中[27]、[28]。同时，开发了一种3D打印结构结合弹性体聚合物封装（使用聚二甲基硅氧烷/PDMS）[29]，构建了一个具有高度灵敏度、机械稳定性和内置定位功能的一体化传感模块。该系统能够在多个身体部位同时监测HR和RR。

为进一步探索CYTOP FBG的传感潜力，特别是其对小幅高频应变的响应，该系统还扩展到了心动音图（SCG）信号检测。SCG反映了心脏机械活动，如瓣膜运动和心肌收缩，可作为心电图（ECG）的有用补充，特别是在识别ECG无法直接捕获的结构性心脏异常方面[30]、[31]。鉴于SCG采集的无创、便携和实时特性，该系统在未来动态心脏健康监测方面具有应用潜力。然而，本文的核心重点仍然是HR和RR的多部位同步监测。SCG信号的初步提取和周期性分析为使用该系统进行无创心脏功能评估提供了额外证据。

章节摘要

光纤布拉格光栅理论

FBG是通过沿光纤芯部的折射率周期性调制形成的微结构[32]。当宽带光源引入光纤时，满足布拉格条件的特定波长会被反射，而其余光谱成分则继续传播通过。反射波长（即布拉格波长${\lambda }_B$）由光纤芯部的有效折射率（$n_{\mathit{eff}}$）、光栅级次（$m$）以及

体内实验装置

探索性测试在一位健康的23岁男性志愿者身上进行。选取四个解剖位置进行评估，如图3所示：位置1——胸骨中部区域，位置2——右胸骨旁区域，位置3——胸部下尖区域；位置4——背部肩胛下角内侧[35]、[36]。使用医用胶布将传感单元紧密固定在皮肤表面。使用智能手表记录心率作为参考，配备

RR和HR检测

根据实验方案，首先将传感单元放置在位置1，在站立姿势下进行正常呼吸数据采集。图7展示了CYTOP FBG对胸部运动的布拉格波长响应。图7(a)呈现了原始信号及经过滤波和平滑处理的数据，而图7(b)则应用了基于一阶导数零交叉的峰值检测算法，分别识别滤波后RR和HR信号中的峰值。在15秒内，6

结论

在本研究中，利用飞秒激光逐面技术在CYTOP光纤中成功刻写了FBG。基于该传感单元，开发了一种一体化心脏健康监测传感器，具有统一结构、同步感知能力和位置适应性。实验结果表明，该传感器能够在多个身体部位同时测量RR和HR，实现了预期的监测目标。其灵活的定位方式允许

CRediT作者贡献声明

Yuchi Hu：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草案，可视化，验证，方法论，调研，形式化分析，数据管理，概念化。Andreas Ioannou：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，方法论，调研，形式化分析。Changqiu Yu：监督指导，项目管理，资金获取。Kyriacos Kalli：监督指导，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。

基金资助

本工作由浙江省自然科学基金（资助号Y24F050044）、浙江省"尖兵""领雁"研发攻关计划（资助号2022C01053和资助号2024C01003）以及杭州电子科技大学和塞浦路斯科技大学支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

不适用。

Yuchi Hu是一名从事光纤传感和光子学领域的学生研究者。他的研究聚焦于聚合物光纤、光纤布拉格光栅传感器及其在生物医学和生理监测中的应用。他当前的工作探索聚合物光纤布拉格光栅在心脏和生命体征监测中的应用，特别关注柔性光纤传感器在生物医学领域的发展。

Yuchi Hu|Andreas Ioannou|Changqiu Yu|Kyriacos Kalli